Jak magnetické pole proniká stínícími materiály? Analýza a srovnání

Proč je stínění magnetického pole taková výzva?

Stínění magnetických polí je jedním z nejsložitějších problémů v elektromagnetickém inženýrství. Na rozdíl od elektrického pole, které lze poměrně snadno blokovat vodivými nebo izolačními vrstvami, má magnetické pole schopnost pronikat mnoha materiály, což jeho účinné oslabení výrazně ztěžuje.

Hlavní potíže vyplývají ze skutečnosti, že magnetické pole neinteraguje přímo s elektrickými náboji, ale s protékajícími proudy a magnetickými momenty. Proto materiály používané pro stínění musí nejen vést elektřinu, ale také vhodně reagovat na změny pole, což v praxi znamená nutnost zohlednit řadu fyzikálních a konstrukčních parametrů.

Typické kovové stínící desky, vyrobené z fólie nebo plechu, výborně tlumí magnetické pole díky vysoké vodivosti a povrchovému jevu (skin effect), který omezuje průnik pole do velmi tenké povrchové vrstvy materiálu. Bohužel, taková řešení jsou tuhá a nepružná, což je významná nevýhoda v mnoha moderních aplikacích, jako je nositelná elektronika nebo flexibilní obvody.

Klikněte a podívejte se na naše dvoudílné stínící desky řady MS

Obr. 1. Kovová stínící deska na PCB

Proto stínící materiály s vodivými vlákny získávají na důležitosti, protože nabízejí flexibilitu a snadné přizpůsobení různým tvarům. Jejich působení je však mnohem složitější a vyžaduje detailní pochopení mechanismů průniku magnetického pole jejich strukturou.

Klikněte a podívejte se na naše vodivé a stínící EMI/EMC textilie

Obr. 2. Flexibilní vodivý materiál

Stínící materiály s vodivými vlákny – alternativa ke kovům

Magnetická stínění vyrobená z kovů jako měď nebo hliník, i když jsou velmi účinná, mají významná omezení. Jejich tuhost a nepružnost znamenají, že je nelze vždy snadno aplikovat v moderních, často složitých elektronických konstrukcích nebo v zařízeních, která vyžadují flexibilní ochranné materiály.

V reakci na tyto výzvy se objevily stínící materiály na bázi vodivých vláken. Obvykle se jedná o metalizovaná vlákna nebo vlákna potažená vrstvou kovu, zformovaná do sítí nebo tkanin, které vytvářejí lehké, flexibilní a snadno přizpůsobitelné stínění. Tato řešení se stále častěji používají v nositelné elektronice, automobilovém průmyslu a telekomunikacích, kde jsou vyžadovány jak stínící vlastnosti, tak i komfort používání.

Vodivá vlákna tvoří síťovou strukturu, složenou z krátkých, uzavřených ok, která jsou zodpovědná za tlumení magnetického pole. Jejich působení je však mnohem složitější než v případě homogenních kovových stínění. Účinnost je ovlivněna nejen vodivostí samotného kovu, ale také jeho prostorovým uspořádáním, velikostí otvorů mezi vlákny a elektrickými parametry samotné struktury.

Klikněte a zkontrolujte naše EMC stany

Obr. 3. EMC stan

Kromě toho jsou klíčové pro způsob, jakým je magnetické pole tlumeno, vnitřní parametry, jako je odpor (R'), indukčnost (L') a kapacita (C') této vláknité struktury. Složitost těchto mechanismů způsobuje, že účinnost stínění není konstantní, ale silně závisí na frekvenci pole, a také na geometrii a vlastnostech samotného materiálu. Obr. 4

Obr. 4. Detail stínícího materiálu

Parametry ovlivňující účinnost magnetického stínění

Účinnost materiálů, které stíní magnetické pole, závisí na řadě faktorů, které lze rozdělit do dvou hlavních skupin: vnitřní vlastnosti materiálu a fyzická struktura vodivých vláken. Pochopení těchto parametrů je klíčové pro vědomý výběr nebo návrh účinného magnetického stínění.

Vnitřní vlastnosti materiálu: R', L', C'

V technické literatuře a inženýrské praxi je stínění popisováno mimo jiné pomocí tří základních parametrů:

• R' (lineární odpor) – definuje elektrický odpor vodičů uvnitř materiálu, který ovlivňuje tlumení vířivých proudů generovaných proměnným magnetickým polem.
• L' (lineární indukčnost) – je zodpovědná za schopnost materiálu ukládat energii v magnetickém poli a reguluje šíření elektromagnetických vln.
• C' (lineární kapacita) – souvisí s dielektrickými vlastnostmi a uspořádáním vodivých vláken vůči sobě, což ovlivňuje chování elektrického pole.

Tyto tři parametry interagují a určují, jak je magnetické pole tlumené a jak proniká strukturou stínícího materiálu. S frekvencí signálu se mění, což dále komplikuje analýzu a vyžaduje specializovaná měření.

Význam struktury vláken a vodivé sítě

Kromě elektrických parametrů má fyzická struktura materiálu obrovský vliv na účinnost stínění. V případě vláknitých stínících materiálů jsou klíčové:

• Velikost a tvar ok sítě – čím menší jsou otvory, tím účinnější je blokování magnetického pole, zejména ve vyšších frekvenčních pásmech.
• Uspořádání a hustota vláken – ovlivňují rovnoměrnost pokrytí a kontinuitu vodivých cest pro vířivé proudy.
• Vodivost vláken – materiály s vyšší vodivostí (např. měď, stříbro) tlumí magnetické pole lépe, ale mohou být dražší nebo méně flexibilní.

Struktura materiálu rozhoduje, zda bude magnetické pole pronikat převážně kovovými vlákny nebo vzduchovými otvory mezi nimi. Tato dynamická souvislost mezi magnetickým polem a fyzickou strukturou vysvětluje složitost účinnosti stínění v závislosti na provozních podmínkách.

Účinné stínění není jen otázkou materiálu, ale také jeho struktury a elektrických vlastností. Pro předpověď účinnosti stínění je nutný holistický přístup, který zohledňuje všechny tyto parametry a jejich vzájemné závislosti.

Jak magnetické pole proniká stíněním? Mechanismy působení

Pochopení toho, jak magnetické pole proniká stínícím materiálem, je klíčové pro optimalizaci elektromagnetické ochrany. Tento proces není jednoduchý, protože chování pole závisí na mnoha faktorech, včetně frekvence signálu a struktury samotného materiálu.

Princip vazby magnetického pole (znázorněno bez povrchového jevu)

Popis průniku magnetického pole stíněním

Magnetické pole interaguje se stíněním hlavně indukcí – proměnné magnetické pole generuje ve vodivém materiálu vířivé proudy, které zase vytvářejí magnetické pole působící proti vnějšímu poli. Tato indukční interakce se měří pomocí tzv. vazební indukčnosti L12, která popisuje, jak účinně materiál „propouští“ magnetické pole.

Lineárně se šířící proud i1 je přiveden na spodní stranu stínícího materiálu (viz obrázek výše). Magnetický tok Φ1, generovaný proudem (Φ1 = L12 * i1), proniká stínícím materiálem v závislosti na frekvenci. Na horní ploše stínícího materiálu se indukuje napětí u2 (u = ω * L12 * i1).

• Φ1 = L12 * i1
• u = ω * L12 * i1

Indukčnost L12 váže proud i1 s napětím u2. Indukčnost L12 je závislá na frekvenci kvůli povrchovému jevu. Její charakteristika popisuje vliv povrchového jevu a potažmo magnetické vlastnosti stínícího materiálu. Napětí u2 za stíněním může způsobit další rušení, jako jsou proudy, magnetická a elektrická pole.

Pro měření indukčnosti L12 se používá speciální měřicí komora. (Obrázek níže) představuje konfiguraci této komory. Stínící materiál je umístěn v kovovém uzavřeném pouzdru měřicí komory. Na spodní straně stínícího materiálu je 50 Ω stripline (stripline 1). Proud i1 protékající stripline využívá stínící materiál jako zpětnou cestu. Magnetické pole generované proudem i1 proniká do stínícího materiálu v závislosti na jeho stínící účinnosti. Na horní straně stínícího materiálu je druhá 50 Ω stripline (stripline 2). Napětí u2 je indukováno ve stripline 2 magnetickým tokem Φ1.

Měřicí konfigurace se striplines a měřicí komorou

Indukčnost L12 (L12 = -u2 / (ω * i1)) popisuje, kolik magnetického toku Φ1 může proniknout stínícím materiálem a indukovat napětí u2.

• L12 = -u2 / (ω * i1)

Pokud v měřicí komoře není stínící materiál (viz obrázek výše), měří se referenční indukčnost L12 pro měřicí konfiguraci (viz níže). Indukčnost L12 zůstává v širokém frekvenčním rozsahu konstantní. Konec lineární frekvenční charakteristiky měřicí komory nastává při 1 GHz.

Frekvenční charakteristika a indukční vazba měřicí komory bez stínícího materiálu (i1 = const.)

Během měření (např. v konfiguraci se striplines, jak je ukázáno na obrázku výše) je napětí indukované ve druhé linii (u2) indikátorem stupně průniku pole. Hodnota indukčnosti L12 se vypočítá pomocí vzorce:

L12= - U2/Wi1

kde U2 je indukované napětí, W je úhlová frekvence a i1 je proud v první linii.

Mechanismy stínění magnetického pole

Napětí u2, indukované magnetickým polem (viz obrázek níže), je stripline 2 zaznamenáno jako u2'. Toto napětí je o něco menší než napětí u2 na povrchu stínícího materiálu, protože část magnetického pole stále proniká do prostoru mezi stripline a stínícím materiálem. Tento efekt je dále ignorován a u2' je považováno za shodné s u2.

Snímání napětí u2 pomocí stripline

Napětí u2, indukované ve stripline, závisí na účinnosti magnetického stínění stínícího materiálu. Odpovídající indukčnost L12 popisuje magnetickou propustnost stínícího materiálu.

Obrázek 5 ukazuje indukované napětí u2 a indukčnost L12 pro stínící materiál S10.

Indukční průnik stínícího materiálu S10

Vodivá vlákna v metalizované netkané textilii tvoří uzavřená oka. Magnetické pole je vytlačováno z kovových ok, jak se zvyšuje frekvence (od 500 kHz do 200 MHz).

V nižším frekvenčním pásmu (pod 1 MHz) stínící materiál nevykazuje žádný tlumicí účinek (viz obrázek 5). Indukované napětí u2 a indukčnost L12 se rovnají referenčním hodnotám naměřeným v prázdné komoře.

Indukční průnik stínícího materiálu v nižším frekvenčním pásmu bez povrchového jevu.

Indukční průnik stínícího materiálu s povrchovým jevem; magnetické pole proniká vzduchem naplněnými otvory v materiálu

Od přibližně 0,5 MHz se indukčnost prázdné komory udržuje na konstantní úrovni -169,8 dBH (3,23 nH). Pod 400 kHz se zdá, že indukčnost narůstá, což je pravděpodobně výsledek nárůstu napětí u2 způsobeného vlivem elektrického pole stripline 2.

První princip indukčního působení

Od 0,5 MHz začíná být v kovových částech stínícího materiálu patrný povrchový jev (viz obrázek 7). Napětí u2 a indukčnost L12 postupně klesají (viz obrázek 5). Indukované napětí dosahuje své nejnižší hodnoty při 200 MHz. V tomto bodě se objevuje nový princip působení, který se překrývá s vytlačováním pole v kovu vláken (viz obrázek 8).

Druhý princip indukčního působení

Od 200 MHz napětí u2 lineárně stoupá se sklonem 20 dB/dec, a indukčnost přechází do konstantní křivky: -235,9 dBH (0,16 pH) (viz obrázek 5).

Komponenta magnetického pole F2 proniká vzduchem naplněnými otvory ve stínícím materiálu. Pro nižší frekvence byla tato komponenta magnetického pole slabší než ta, která pronikala kovem stínícího materiálu. S dalším nárůstem frekvence je celé pole vytlačováno z kovu stínícího materiálu a prochází pouze vzduchem naplněnými otvory (viz obrázek 8). Trajektorie šíření magnetických siločar se s rostoucí frekvencí přestává měnit, což způsobuje, že indukčnost je konstantní. Hodnota indukčnosti L12 může být extrapolována pro ještě vyšší frekvence.

Vazební indukčnost L12 stínícího materiálu je parametr materiálu, který lze definovat jako specifickou lineární indukčnost L12' [pH/cm].

Srovnání stínících materiálů

Indukční průnik stínění byl měřen pro šest stínících materiálů a je znázorněn na obrázku 9.

Vlastnosti magnetického stínění šesti stínících materiálů s vazební indukčností

Od přibližně 2 MHz výše lze pozorovat dobré stínící vlastnosti u tří materiálů (S10, S2 a 02). V případě ostatních tří materiálů (01, 03 a 04) stínící účinek buď chyběl, nebo byl slabý až do 1,5 GHz!

Účinnost stínění materiálů se výrazně liší – od neúčinné po účinnou. Frekvenční pásma, ve kterých se objevují různé principy působení stínění, se v závislosti na materiálu mírně posouvají.

• Stínící materiál 04: Nevykazuje žádný efekt magnetického stínění, chová se jako vzduch (prázdná měřicí komora).
• Stínící materiál 03: Dosahuje oslabení magnetického pole pouze 3 dB při 1 GHz.
• Stínící materiál 01: Dosahuje oslabení 12 dB při 1 GHz.
• Stínící materiály 02, S2 a S10: Jsou účinné a vykazují frekvenční pásma obou principů působení. V prvním pásmu (až do 200 MHz) materiál působí vytlačováním pole otvory v okách. V druhém pásmu (>200 MHz) je účinek určen velikostí kovových otvorů v okách a jejich ohmickým odporem (útlum 40...65 dB). Struktura stínícího materiálu určuje účinek v obou pásmech.

Vazební indukčnost L12

Vazební indukčnost L12 stínícího materiálu je parametr, který popisuje průnik magnetického pole materiálem. Lze ji normalizovat na proud v linii s délkou 10 mm. Oslabení magnetického pole se vyjadřuje jako rozdíl v dB mezi měřením se stínícím materiálem a referenčním měřením (bez materiálu): Oslabení = L12-materiál [dBH] - L12-prázdné [dBH]

Závěry pro návrh

Kvalita magnetického stínění závisí na velikosti otvorů v okách, jejich průřezu a vodivosti. Výsledky měření z obrázku 9 jasně ukazují vliv stínících materiálů na magnetické pole, což je výhoda pro jejich aplikaci a vývoj. Při navrhování stínících materiálů je důležité konstruktivně ovlivňovat oba indukční principy působení.

Dva hlavní mechanismy magnetického stínění

Pochopení účinnosti magnetického stínění vyžaduje znalost základních mechanismů, které určují, jak je magnetické pole určitým materiálem tlumené nebo jím proniká. U zkoumaných stínících materiálů se rozlišují dva klíčové efekty:

I. Povrchový jev (skin effect) a vytlačování pole v kovu

Prvním mechanismem je tzv. povrchový jev. Spočívá v tom, že střídavý proud (AC) protéká hlavně v tenké povrchové vrstvě vodiče, nazývané „skin vrstva“. S rostoucí frekvencí proudu se tato vrstva ztenčuje, což vede k nárůstu efektivního odporu a tlumení magnetického pole uvnitř materiálu. V praxi to znamená, že kovové prvky sítě nebo vodivých vláken ve stínícím materiálu „vytlačují“ magnetické pole ven, což omezuje jeho průnik dovnitř. Tento jev je zvláště silný ve frekvenčním pásmu od několika set megahertzů výše, kdy se tloušťka povrchové vrstvy stává velmi malou.

II. Průnik vzduchovými otvory v materiálu

Druhý mechanismus souvisí s přítomností otvorů, prázdných míst nebo „děr“ ve struktuře materiálu. V případě materiálů složených z vodivých sítí nebo vláken uspořádaných určitým způsobem může magnetické pole pronikat těmito nechráněnými fragmenty.

Působení tohoto mechanismu je dominantní zejména při nižších frekvencích, až do přibližně 200 MHz, kde pole proniká hlavně vzduchovými mezerami mezi vodivými prvky.

Účinnost stínění zde silně závisí na velikosti a tvaru těchto otvorů, a také na jejich uspořádání.

Role struktury materiálu v obou mechanismech

Kombinace těchto dvou jevů určuje konečnou účinnost stínícího materiálu. Sítě s jemnými oky a vlákna s vysokou vodivostí způsobují silnější tlumení magnetického pole, zejména ve vyšších frekvenčních pásmech, kde je povrchový jev nejúčinnější.

Naopak, velké, nepravidelné otvory mohou účinnost stínění výrazně snížit, což umožní poli pronikat i při vysokých frekvencích.

Jak vybrat správný stínící materiál?

Výběr materiálu pro účinné stínění magnetického pole je proces, který vyžaduje zohlednění několika klíčových faktorů, které ovlivňují účinnost ochrany před elektromagnetickým rušením. Pochopení toho, jak se struktura materiálu a jeho elektrické vlastnosti promítají do chování stínění v různých podmínkách, je zásadní pro zajištění optimálního fungování elektronických zařízení.

Závislost účinnosti na struktuře a frekvenci

Hlavní otázkou je výběr materiálu v závislosti na frekvenčním pásmu, ve kterém má stínění fungovat. Při nízkých frekvencích (od desítek do několika set MHz) je nejdůležitější minimalizace vzduchových otvorů v materiálu. I drobné přerušení nebo mezery ve vodivé síti umožňují průnik magnetického pole, což výrazně snižuje účinnost stínění. V tomto rozsahu jsou nejvhodnější materiály s hustou vláknitou strukturou, které tvoří téměř souvislý vodivý povrch.

Ve vyšších frekvenčních pásmech (stovky MHz až GHz) hraje klíčovou roli povrchový jev. Zde je naopak důležitá vysoká vodivost vláken a jejich uspořádání – tenká, dobře uspořádaná vodivá vlákna vytvářejí vrstvu, ve které může střídavý proud protékat bez velkých ztrát. Materiály s velkou tloušťkou a dobrou vodivostí zajišťují vyšší tlumení magnetických vln.

Význam otvorů, odporu a vodivosti

Otvory ve struktuře materiálu, i když jsou malé, fungují jako kanály, které umožňují průnik magnetického pole. Jejich velikost a uspořádání rozhodují o tom, kolik pole „proklouzne“ stíněním. Proto je důležité volit materiály s minimální porézností nebo použít dodatečné vrstvy, které tyto prostory vyplní.

Povrchový odpor materiálu je dalším důležitým parametrem. Nízký odpor podporuje tok stínicího proudu a zvyšuje účinnost tlumení pole. V praxi to znamená, že i drobné změny ve složení nebo struktuře vláken mohou mít znatelný dopad na výkon stínění.

Vodivost by zase měla být co nejvyšší, čehož se často dosahuje použitím kovových vláken nebo vodivých povlaků. Oblíbená řešení jsou uhlíková nebo niklová vlákna, která kombinují dobré mechanické vlastnosti s účinným stíněním.

Výběr vhodného stínícího materiálu vyžaduje holistický přístup, který zohledňuje frekvenční pásmo provozu, strukturu materiálu, jeho vodivost a přítomnost otvorů. Správně zvolený materiál umožňuje optimální omezení vlivu magnetického pole, což je klíčové pro ochranu moderních elektronických zařízení před rušením.

Shrnutí: Co ovlivňuje účinné magnetické stínění?

Stínění magnetického pole je jedním z nejtěžších úkolů v elektromagnetickém inženýrství. Jak jsme ukázali v celém článku, účinnost ochrany před rušením závisí na komplexní kombinaci materiálových, strukturálních a frekvenčních vlastností.

Faktory ovlivňující účinnost stínění:

• Elektrické vlastnosti materiálu: Parametry jako povrchový odpor (R'), vnitřní indukčnost (L') a kapacita (C') určují, jak materiál reaguje na proměnné magnetické pole. Materiály s nízkým odporem a správně zvolenou indukčností tlumí pole účinněji.
• Struktura vláken a vodivé sítě: Hustota a uspořádání vodivých vláken má obrovský význam. Sítě s malými oky zajišťují menší průnik magnetického pole a uspořádání vláken ovlivňuje směrovost stínění.
• Mechanismy průniku pole: Magnetické pole může stíněním pronikat indukčním průnikem a vzduchovými otvory. Pochopení povrchového jevu a role vzduchových mezer umožňuje lépe navrhnout účinné stínění.
• Frekvence pole: Účinnost stínění se mění s frekvencí signálu. Při nízkých frekvencích je rozhodující kontinuita vodivého povrchu, zatímco při vysokých frekvencích jsou nejdůležitější vodivé vlastnosti a povrchový jev.
• Charakteristika testovaných materiálů: Srovnání šesti různých stínících materiálů ukázalo, že nejlepších výsledků dosahují ty s vysokou vodivostí a minimální porézností, zejména v pásmu do 1,5 GHz.

Magnetické stínění vyžaduje nejen výběr vhodného materiálu, ale také pochopení jeho fyzikálních a elektromagnetických vlastností. Pokročilé materiály s vodivými vlákny jsou slibnou alternativou k tradičním kovovým stíněním, nabízející větší flexibilitu a snazší aplikaci.

Při navrhování systémů ochrany proti magnetickému poli stojí za to zohlednit všechny prodiskutované aspekty, aby byla zajištěna maximální ochrana zařízení ve stále složitějším a náročnějším elektromagnetickém prostředí.

Zdroje: How Do Magnetic Fields Penetrate Shielding Materials? Characterization of Shielding Materials October 26, 2023 Gunter Langer and Amirali Taghavi